De Gids. Jaargang 174

[p. 710]

Margriet van der Heijden
Onbegrijpelijke wetenschap

To explain all nature is too difficult a task for any man or even for any one age. 'Tis much better to do with a little certainty and leave the rest for others that come after you, than to explain all things by conjecture without making sure of any thing.
- Isaac Newton, in een ongepubliceerd voorwoord bij Opticks, 1704.
(Ontleend aan Higher Speculations door Helge Kragh)

Welke Nederlandse natuurwetenschapper is de volgende tweeduizend woorden waard?

Was ik beleidsmaker, dan zou ik het maatschappelijk nut van onderzoek wegen. Driftig zou ik bladeren in de innovatienota's en strategische agenda's die uitstippelen hoe kennis naar innovatie naar economische groei voert. Moest ik me richten op innovatieve zonnecellen die het klimaatprobleem helpen oplossen? Of op zoiets als de goedkope productie van autolakken waarmee snel geld te verdienen valt? Wikken en wegen zou ik, maar hoe dan ook, mijn natuurwetenschapper zou top zijn: een toponderzoeker uit een topsector die de economie in topvorm zou brengen met een topvondst.

Was ik onderzoeker, dan zette ik citatiescores en h-indexen op een rij en analyseerde ik de buzz op congressen. Al is zo'n populariteitspoll niet erg objectief: hoe vaak halen we niet de schouders op over re-

[p. 711]

sultaten die gisteren baanbrekend leken? Wie herinnert zich nog de vortextheorie die honderdvijftig jaar geleden in Groot-Brittannië furore maakte als ‘theorie van alles’? Waar is het pomeron gebleven?

Als universiteitsbestuurder deed ik het nog anders. Ik zou de miljoenensubsidies turven die ‘mijn’ wetenschappers waren toegevallen - uit Europa, uit Nederland of uit allebei, zoals dat meestal gaat. Fijntjes zou ik er verder op wijzen dat deze of gene zijn werk uitstekend aan de man brengt bij het grote publiek en zelfs ‘de voorpagina van de New York Times’ heeft gehaald.

Maar ja, ik ben wetenschapsjournalist, en hoe moet die kiezen uit onderzoek dat vaak zo traag en grillig lijkt te verlopen? Afgaan op gedegen Nobelpenningen? Nee, dan liever: een nachtje erover slapen - in lijn met recent wetenschappelijk inzicht dat het onbewuste dan het beste besluit neemt.

Zo belandde ik een paar weken later in de kamer van quantumfysicus Dirk Bouwmeester, hoog in een flat van de Universiteit Leiden. Een kleine ruimte, veel ramen en meer dan kaal - ‘ik ben vaak in Californië,’ licht Bouwmeester toe. Als hoogleraar verdeelt hij zijn tijd tussen de universiteit van Californië in Santa Barbara en die van Leiden.

Verzorgd gekleed en bedachtzaam formulerend, relativeert Bouwmeester direct het idee dat de natuurwetenschap traag voortschrijdt. ‘Dat lijkt misschien zo in de loop van één mensenleven. Maar kijk hoe het leven op aarde zich ontwikkelde: dat kostte een paar miljard jaar, en menselijk leven ontstond pas in de laatste vier miljoen jaar daarvan. Een periode van honderdvijftig jaar verhoudt zich tot zo'n tijdspanne als krap een seconde tot een jaar. Maar in die seconde vond in de wetenschap een explosie plaats.’

Interessant genoeg leven wij ermiddenin, in die explosieve periode waarin mensen gemiddeld ouder worden dan ooit, mobieler zijn dan ooit en meer informatie uitwisselen dan ooit. Waarin wetenschappers achterhaald hebben hoe oud de kosmos (hoogstwaarschijnlijk) is, en uit welke bouwsteentjes (hoogstwaarschijnlijk) alle ons omringende materie bestaat.

In plaats van als een slome slak schiet de wetenschap zo bezien met grote sprinkhaansprongen vooruit. En dat heeft een onvermijdelijk bijeffect: het is lang niet altijd duidelijk waar het onderzoek na zo'n sprong is beland.

De quantummechanica en de relativiteitstheorie illustreren dat, zegt Bouwmeester. Ze hebben een enorme verandering in ons denken teweeggebracht. (En voor de beleidsmakers: ook gps-systemen, kernenergie en atoombommen, de chips in computers en mobiele te-

[p. 712]

lefoons.) ‘Maar de diepere betekenis van die theorieën hebben we nog lang niet doorgrond. Met name allerlei aspecten van de quantummechanica zijn zó dwaas.’

Dat blijkt al direct uit het beroemde tweespletenexperiment - een klassieker waarin deeltjes, en zelfs grote virussen, door twee spleten in een scherm kunnen reizen naar een ‘achterwand’ die ze registreert. Als meerdere deeltjes na elkaar die reis ondernemen, dan tekent zich op de wand het overbekende interferentiepatroon af van golven die elkaar op de ene plek uitdoven en op de andere versterken. Anders gezegd: elk deeltje gedraagt zich als een golf die een waaier aan paden tegelijk doorloopt. Maar: als één enkel deeltje door de spleten reist, dan komt het wel gewoon op één plek terecht - al is van tevoren niet exact te voorspellen welke plek dat zal zijn.

Dwaas? Ja, op microscopisch niveau gedraagt de wereld zich als een schimmig kansspel.

Kritische denkers wijten die ‘dwaze’ verschijnselen niet aan de natuur, maar aan het tekortschieten van de quantumtheorie. Albert Einstein (1879-1955) deed dat in het verleden. Roger Penrose, een van Bouwmeesters leermeesters, doet dat in het heden. Penrose wijst er bijvoorbeeld op dat Einsteins wetten dicteren dat massa, zoals die van een deeltje, de ruimtetijd vervormt. Dan is dus onhelder, zegt Penrose vervolgens, op welke plek en op welk tijdstip de quantumgolf van zo'n deeltje gedefinieerd is. Hoe kun je er dan conclusies aan verbinden?

Korter: de quantumtheorie is slechts voorlopig. Het is een te oppervlakkige beschrijving van de werkelijkheid.

Maar Bouwmeester staat daar anders tegenover. Volgens hem is ons eigen denken te oppervlakkig. ‘Volgens mij begrijpen we niet goed wat ruimte is en tijd. Wij zijn er helemaal niet zeker van of en waarom er één tijd en drie ruimtelijke dimensies bestaan. Ik zou bijna zeggen dat we meer dan drie dimensies nodig hebben om alle elementaire deeltjes te kunnen beschrijven.’

In die visie komen deeltjes tevoorschijn op plaatsen die afhangen van hun quantumgolf en zijn hun massa en lading vluchtige verschijnselen - wellicht opduikende singulariteiten in meerdimensionale quantumvelden. ‘Het is misschien een afweging van de natuur,’ zegt Bouwmeester. ‘Hoe meer deeltjes er tevoorschijn komen, hoe minder ruimtelijke dimensies er waarneembaar zijn voor een levensvorm die uit deze deeltjes bestaat. Zoals wijzelf dus. Maar ook: hoe meer deeltjes er zijn, hoe meer configuraties die deeltjes kunnen vormen. Zo leidt de combinatie van tijd, drie ruimtelijke dimensies en veel deeltjes tot interessante mogelijkheden.’

[p. 713]

Maar hoe het precies zit? De sleutel ligt in het verkrijgen van een dieper inzicht in quantummechanische verschijnselen, vermoedt Bouwmeester. De beste aanpak daarvoor is volgens hem: onbevooroordeeld naar de quantumtheorie kijken en buitenissige verschijnselen niet bij voorbaat negeren of wegzetten als tijdelijke onvolkomenheden.

Hij verwijst naar Albert Einstein, die de quantummechanica te bizar vond om waar te kunnen zijn. ‘Maar de kracht van Einstein school er nou juist in dat hij een bizar verschijnsel wél voor waar aannam toen hij zijn eigen relativiteitstheorie ontwikkelde: namelijk dat de lichtsnelheid constant is.’

In wezen was dat allang bekend, vervolgt Bouwmeester, want het vloeit direct voort uit de vergelijkingen die James Clerk Maxwell in 1864 opstelde voor elektrische en magnetische velden. Wie deze Maxwell-vergelijkingen uitwerkt voor de tgv van Amsterdam naar Parijs (bewegend) of voor een station naast het spoor (stilstaand) merkt dat het licht in en naast de trein met dezelfde snelheid reist. ‘Ook dwaas. Zo dwaas zelfs dat fysici lange tijd op zoek waren naar de fout in Maxwells vergelijkingen. Tot Einstein dus zei: laten we aannemen dat het klopt, en toen de relativiteitstheorie afleidde die de ruimtetijd beschrijft. Zo gaf Einstein een bizar verschijnsel een diepe fysische betekenis.’

Ergens achter de horizon wacht ook de theorie die quantumverschijnselen een diepere betekenis geeft, denkt Bouwmeester. Al is hij er niet de man naar om daar met brede armgebaren over te speculeren. Hij stortte zich tien jaar geleden eenvoudigweg op één ogenschijnlijk simpele vraag: kunnen quantumverschijnselen zoals in het tweespleten-experiment ook zichtbaar worden op macroscopische schalen - dus ruwweg: met het blote oog?

Samen met Penrose, met wie hij destijds in Oxford samenwerkte, bedacht hij daarvoor een meetopstelling. Ook daarin kan licht twee paden volgen, net zoals licht in het tweespletenexperiment door twee spleten kan reizen. Het bereikt alleen geen achterwand maar een vrijhangend spiegeltje, en het idee is dat de druk van de lichtdeeltjes dat zichtbare spiegeltje een beetje kan laten uitwijken (bij positieve interferentie) of juist niet (als de lichtgolven en daarmee lichtdeeltjes elkaar uitdoven bij negatieve interferentie). Zo wil Bouwmeester proberen om quantuminterferentie aan te tonen in een ‘groot’ macroscopisch voorwerp (het spiegeltje).

En dat is niet eenvoudig: om storende wisselwerking tussen licht, spiegeltje en de rest van de omgeving uit te bannen zijn een ultravacuüm en extreem lage temperaturen nodig, en het vergt het uiterste

[p. 714]

op het gebied van microfabricage. Pas over nog eens tien jaar, verwacht Bouwmeester, zal zijn experiment naar behoren werken.

En dan? Het experiment raakt direct aan wat in de fysica te boek staat als het meetprobleem. Het probleem dus dat een quantumgolf die alle informatie bevat over de waaier aan toestanden waarin een deeltje (of voorwerp) als het ware tegelijk lijkt te verkeren, tijdens een meting ineens reduceert tot nog maar één uitkomst, één enkele toestand.

De gangbare verklaring voor die ‘verdammte Quantenspringerei’, zoals quantumgrondlegger Werner Heisenberg (1901-1976) het noemde, is dat de quantumgolf van zo'n deeltje verstrengeld raakt met de quantumgolf van de omgeving - van het meetapparaat bijvoorbeeld. Dat zou het onmogelijk maken om ooit nog via interferentie aan te tonen hoe de volledige golffunctie er ooit uitzag, en of die überhaupt bestond. Alsof de omgeving, via verstrengeling, als een spons een groot deel van de quantumgolffunctie heeft opgenomen en gewist.

De Hongaarse wis- en natuurkundige John von Neumann (1903-1957) formuleerde het probleem in zijn ‘projectiepostulaat’. Bouwmeester: ‘Maar eigenlijk gaf Von Neumann niet meer dan een recept. Eerst stel je een quantumgolffunctie op die beschrijft wat er in het meetapparaat gebeurt: stap 1. Uit het kwadraat van de amplitude van die golffunctie [de “sterkte” van die golf op een plek, MvdH] bereken je daarna de kans op een bepaalde uitkomst van de meting - zoals de kans dat je een deeltje in het tweespletenexperiment op een bepaalde plek aantreft: stap 2.’

Dat is een onderzoeksafspraak, zegt Bouwmeester, waarin je de omgeving gedachteloos beschouwt als een groot en verder te verwaarlozen buffer die informatie onttrekt aan het meetsysteem. En inderdaad, dat doet denken aan de fysici die de constante lichtsnelheid probeerden weg te redeneren. Bouwmeester: ‘Want als je wél het hele systeem in ogenschouw neemt, met buffer en al, dan kun je ook de toestand daarvan in principe met een alomvattende quantumgolffunctie beschrijven.’

Met zijn spiegeltjesopstelling haakt Bouwmeester daarop in. Hij wil aantonen dat de quantummechanica ook op grotere macroscopische schalen niet per se zomaar genegeerd kan worden. Dat de quantummechanica op grote schalen niet automatisch haar beschrijvende waarde verliest, of zelfs haar geldigheid. En als hij dát kan aantonen, dan opent dat misschien eindelijk de weg naar een diepere interpretatie van quantummechanische verschijnselen.

[p. 715]

Maar wat betekent het volgens hem - quantumverschijnselen op macroscopische schaal? Bouwmeester: ‘Ik heb natuurlijk vaker zitten denken hoe quantumverschijnselen zich op zulke schalen kunnen manifesteren, of misschien al gemanifesteerd hebben. Eén mogelijkheid is via de evolutie van het leven, die zo verbazingwekkend efficiënt lijkt te zijn verlopen. Mutaties in het dna spelen er een grote rol in, maar zulke mutaties treden vaak spontaan en willekeurig op en kunnen net zo goed ongunstig uitpakken. Toch is met maar weinig mutaties een heel goed resultaat bereikt. Hoe kan dat?’

‘De mutaties ontstaan onder meer als dna wordt getroffen door uv-straling en deeltjes uit de kosmos, uit supernova's of de zon bijvoorbeeld. Zulke stralingsdeeltjes hebben quantumgolffuncties en kunnen in meerdere toestanden tegelijk verkeren. Ze kunnen dus net als in het tweespletenexperiment langs meerdere wegen tegelijk reizen. Maar dan kunnen ze óók op meerdere plaatsen in het dna tegelijk mutaties veroorzaken, en die verschillende mutaties leiden daarna tot meerdere evolutiepaden. Zou het daarom niet kunnen dat er in de evolutie veel meer mutaties zijn geweest dan wij opgespoord hebben? En dat wij ze niet opmerken omdat de bijbehorende evolutiepaden afgestorven zijn? Verklaart dat de efficiëntie?’

Maar ho: maakten die afgestorven paden dan wel of geen deel uit van onze wereld in het verleden? Aarzelend: ‘De begrippen “deze aarde” en “deze mens” hebben in de quantummechanica natuurlijk geen betekenis meer.’

Met dat idee speelt ook het lichtvoetige ‘quantumhorloge’ van de Israelische Lev Vaidman. Bouwmeester bracht in lezingen al vaak ter sprake hoe in deze quantumwatch een deeltje kan inslaan op sensor a of juist op sensor b. ‘En als ik nu zo'n horloge droeg, dan zouden we kunnen afspreken om naar het lab te gaan als sensor a oplicht, en om hier te blijven als sensor b wordt getroffen. Maar stel dat a oplicht en we vertrekken, dan blijft ergens de informatie voor het oplichten van b ook nog bestaan. Als we ons strikt aan de afspraak zouden houden, dan hoort daar dus bij: blijven zitten.’

Bouwmeester: ‘Zo kom je in feite op het meerwerelden-idee.’ Dan speel je met de gedachte dat elders - onbereikbaar en onbewijsbaar - de andere optie zich uitkristalliseert.’

Behoedzaam, alsof hij vooral niet met woeste sciencefiction in verband gebracht wil worden, voegt Bouwmeester daar meteen aan toe dat hij dit niet op het dagelijkse leven zou willen toepassen. ‘Als je straks wegrijdt en er komt een auto van links, dan komt die in mijn optiek echt van links. Dat is zo'n groot macroscopisch object, samen-

[p. 716]

gesteld uit zo veel deeltjes en met zo'n ingewikkelde quantumgolffunctie... De kans dat die auto in een andere quantumtoestand terechtkomt, en van rechts komt bijvoorbeeld, lijkt me verwaarloosbaar.’

Verontschuldigend lachje: ‘Hierover spreken klinkt al gauw dwaas. Ik vind het zelf ook erg bizar en moeilijk te geloven.’

Zulke bizarre verschijnselen zijn óók aantrekkelijk. Zeker vijftien onderzoeksgroepen wereldwijd zoeken intussen naar quantumeffecten op macroscopische schalen. En vorig jaar riep het Amerikaanse wetenschapsblad Science een minuscuul nano-duikplankje dat tegelijk trilde en niet (maar dat nog altijd veel en veel kleiner was dan Bouwmeesters spiegeltje) uit tot wetenschappelijke doorbraak van het jaar.

Bouwmeester, die zich jaren geleden met een tweedehands koelsysteem van de Leidse koude-expert Giorgio Frossati als allereerste aan dit soort onderzoek waagde, voelt nu de hete adem van zulke groepen in de nek. Toch kan hij zijn voorsprong houden, denkt hij, dankzij een vici-premie voor een nieuwe opstelling en een nieuwe trillingsvrije hal van de Universiteit Leiden. Bovendien: ‘Het is de tijd die experimenten mogelijk maakt. Het gaat niet om mij. Of een andere groep.’

Mm, zou het?

Het is in ieder geval niet de tekst van een universiteitsbestuurder die Europese subsidies wil binnenhalen. Van een beleidsmaker die onderzoek uitdrukt in patenten. Of van een persvoorlichter die over media-exposure droomt. Het nachtje-erover-slapen heeft iets anders boven water gehaald: de natuurwetenschapper die eerder dan anderen de mogelijkheden van een periode oppikt, tegen modes en belangen in, en die de gok neemt zich daar jaren in vast te bijten. Want een echte beloning is er natuurlijk pas als harde uitkomsten van ongewisse experimenten een ‘sprinkhanensprong’ mogelijk maken.